탄소중립 에너지, 액화수소/헬륨 저장용 신소재 개발한다
포스텍-우크라이나 연구팀, 다성분 합금의 초극저온 변형 거동 분석
□ 대기권 밖 우주에 노출되는 항공우주부품이나 액화수소 저장탱크 등에 쓰일 신소재 개발에 청신호가 켜졌다. 한국과 우크라이나 연구진의 공동연구로 영하 273 ℃의 극저온에서 합금의 거동에 대한 비밀이 밝혀졌기 때문이다.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 김형섭 교수(포항공과대학교) 연구팀이 우크라이나 과학원 극저온 연구소와 공동으로 영하 272.5 ℃의 초극저온에서 다성분 신합금의 미세조직 변화 및 기계적 거동에 대해 해석해냈다고 밝혔다.
ㅇ 다성분 합금은 액체질소 온도(영하 196 ℃)의 극저온 환경에서도 충격흡수 같은 기계적 강도가 뛰어나 해양/선박이나 액화 수소/ 헬륨 저장탱크, 우주/항공 분야 소재로의 응용이 기대되고 있다.
□ 여러 원소가 거의 동일 비율로 혼합된 다성분 합금은 기존 하나의 주원소 개념의 합금계를 벗어나 물리야금의 르네상스를 이끈 일종의 혁신이었다.
ㅇ 하지만 액체질소 온도 아래에서 나타나는 다성분 합금의 변형 거동에 대하여 알려진 바가 없어 소재의 기계적 신뢰성을 예측하지 못하여 극저온 산업으로의 적용이 제한되어 왔다.
□ 연구팀은 액화수소와 헬륨의 압력 조절로 영하 272.5℃까지의 초극저온을 모사한 환경을 구현하고 개발한 다성분 신합금의 변형거동을 해석해냈다.
□ 극저온 환경을 만들기 위해 사용되는 가장 낮은 온도의 냉매인 액화 헬륨은 끓는점이 영하 268.8 ℃로 이보다 낮은 온도를 만들기 위해서는 특별한 기술이 필요하다.
ㅇ 연구팀은 액화헬륨이 담긴 챔버 안의 기체화된 헬륨을 진공 펌프를 통해 챔버 외부로 배출하여 챔버 내부의 압력을 낮춤 으로써 영하 272.5 ℃를 달성하였다.
□ 나아가 이러한 초극저온에서 다성분 합금의 내부 온도가 상승과 하강을 반복하는 특이현상이 나타나는 것을 알아내고, 이것이 합금의 구조를 더욱 탄탄하게 변화시켜 강도 향상의 실마리가 됨을 알아냈다.
ㅇ 이렇게 향상된 다성분 합금의 강도는 약 1.6GPa 수준으로 기존 극저온용 합금보다 약 1.5배 정도 향상된 것으로 나타났다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 국가간협력기반 조성사업(한-CIS협력기반조성), 미래소재디스커버리사업, 중견연구지원 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제 학술지‘머티리얼스 투데이(Materials Today)’에 9월 13일 게재(온라인)되었다.
